터널은 도로 및 철도 교통을 원활하게 하고 이동시간을 줄일 수 있는 매우 효과적인 수단으로, 몇 미터의 짧은 길이부터 50km의 긴 길이에 이르기 까지 매우 다양하게 건설되고 있다.
이와 관련 ▷높은 온도에서도 강도 유지 ▷낮은 부식성 ▷다양한 등급과 형태로 사용가능 ▷수명이 길고 유지보수 불필요 등의 장점을 갖춘 스테인리스강이 터널의 건설 및 터널 내부의 운영장비 제작에 매우 이상적인 자재로 주목받고 있다.
■터널 건설과 적용분야의 스테인리스강 사용
터널은 대부분 지하에 건설되지만, 터널이 지나가는 곳의 환경은 터널마다 크게 다르다. 일부는 바다 밑을 지나가고, 일부는 산을 통과하기도 한다. 이러한 환경 차이로 인해, 각 터널의 건설에 사용하는 자재 또한 달라진다.
모든 터널은 수십 년 동안 유지보수 없이 안전하게 운영할 수 있어야 한다. 터널의 건설에 사용하는 자재는 부식이 발생하는 환경이나 장애요인이 많은 위험한 환경에서도 이러한 요건을 만족해야 한다. 터널 내부에 사용하는 자재는 터널의 용도에 따라서도 달라진다. 터널 내부의 대기 상태는 터널이 차량용인지, 아니면 전철용인지에 따라서 크게 달라질 수 있다.
이와 관련 스테인리스강은 다양한 합금 및 제품의 형태로 사용할 수 있으며 가장 험한 환경에서도 사용할 수 있다. 부식 방지를 위한 별도의 보호 장치가 필요하지 않으며, 강도와 내화성이 높아서 수명이 길고 유지보수가 거의 필요하지 않다. 터널 기술자는 방화문이나 방화벽과 같은 눈에 띄는 구조물, 그리고 보강재와 같은 눈에 띄지 않는 구조물에 모두 스테인리스강을 사용한다.
아울러 장기간에 걸친 터널 기술자들의 터널 환경 모니터링을 통해, 스테인리스강은 고정장치 등의 부품에 필수적인 자재로 자리잡고 있다. 고정장치는 조명, 통풍장치, 소방장비 등의 주요 시설물들을 안전하게 설치하는 데 매우 중요한 부품이다.
스테인리스강은 심각한 대기 오염이나 벽이나 바위면이 맞닿아 있는 곳의 지반 균열로 인한 부식에 견딜 수 있기 때문에 터널 고정장치의 주요 자재로 적용되는 경우가 많다.
■도로 터널공사에 적용되는 STS
가장 일반적인 운송용 터널은 도로 터널이다. 이러한 터널은 바위, 강, 호수, 항구를 통과하는 경우도 있다. 터널 내부에서 사고가 발생하면 폭발이나 화재로 이어질 수도 있다.
도로 터널은 정상적인 사용 환경에서도 온도 변화 및 부식을 유발하는 화학물질(배기가스나 추운 곳에서 차량 타이어에 의해 유입되는 제설제 등)에 노출된다.
도로 터널의 대기에는 일반적으로 배기가스로 인한 이산화황(SO2), 이산화질소(NO2), 황화수소 (H2S)가 함유돼 있다. 또한 벗겨진 타이어 입자, 광물성 분진 퇴적물, 매연, 수용성 염화물도 있다. 이러한 대기 중에 있는 화학물질의 부식으로 인해 터널 내부의 고정장치가 고장을 일으킬 수 있다. 벽면과 고정장치가 연결돼 있는 부분에 산성 염화물 용액의 막이 형성돼 전해질로서 작용한다. 또한 터널에서 주기적인 수분 증발 현상이 발생함에 따라 농도가 더욱 짙어진다. 고정장치는 접근이 매우 어려워서 세척 비용이 매우 높거나 아예 불가능한 경우도 있다.
이러한 현상으로 인해, 고정장치를 구성하는 자재들이 적합한 스테인리스강이 아닌 경우, 균열 부식이 발생해 결국에는 고정장치가 파손될 수도 있다.
이와 관련 이탈리아의 A7, A10, A12 도로 터널은 심각한 대기 환경으로 인해 콘크리트 라이닝이 파손돼 콘크리트 조각이 떨어지는 것을 막기 위해 1만2천㎡에 달하는 스테인리스강 그물망(EN 1.4401/AISI 316)을 라이닝에 사용했다. 이 스테인리스 그물망을 통해 도로면에 떨어지는 모든 콘크리트 조각을 다른 곳으로 흘려보낼 수 있게 됐다.
아울러 도로 터널의 화재로 인한 치명적인 손실을 방지하거나 최소화를 위해서도 스테인리스강이 적용되고 있다. 탄화수소 화재로 인해 발생하는 높은 온도에서의 성능이 뛰어나기 때문이다. 이와 관련 지난 1999년 발생한 치명적인 화재가 발생했던 몽블랑(Mont Blanc) 터널은 복구 공사시 스테인리스강(EN 1.4404/AISI 316L) 환기팬을 설치하고, 터널의 케이블 사다리에도 스테인리스강을 적용했다.
■철도 터널공사에 적용되는 STS
도시 설계사들은 승객 운송 수요량을 만족시키고 교통 혼잡을 완화시키기 위해 지하철에 크게 의존하고 있다. 고속철도망은 또한 주요 도시들뿐만 아니라 국가와 국가를 잇는 중요한 연결통로가 돼가고 있다.
철도망은 이미 수많은 개발도상국에서 빠르게 성장하고 있다. 중국에서는 21개 도시에서 경전철 개발을 계획하고 있다. 또한 이미 완공된 6천km 길이의 고속철도에 120대의 고속열차를 2012년에 추가로 운행했으며, 인도에서도 10여 개 이상의 도시에서 도시 철도 인프라 구축을 발표했거나 현재 고려 중에 있다.
이와 관련 지하철, 일반 철도, 장거리 해저 철도의 터널 공사에서 스테인리스강은 널리 사용되고 있다.
◇지하철 터널= 도시의 지하철도망을 사용하는 열차는 보통 전기로 작동하기 때문에, 터널의 대기 부식은 도로 터널에 비해 크게 문제가 되지 않는다. 하지만 현지의 환경적인 요인들은 터널을 건설하는 자재의 선정에 영향을 미칠 수도 있다.
이러한 요인에는 터널 주위의 바위나 흙에 함유돼 있는 화학물질, 도로에서 스며드는 물, 도시의 하수도 및 상수도관 등이 있다. 이와 관련 부식 저항성이 우수한 스테인리스강은 표면이 매우 얇고 연속적인 안정된 부동태 피막을 형성해 녹슬지 않는 성질을 갖고 있어 지하철 터널 공사시 널리 적용되고 있다.
한편, 지하철 터널 공사시 화재가 발생할 수 있다는 점을 건설 프로젝트의 초기 단계부터 고려해야 한다.
이와 관련 영국 런던에서는 지하철 건설 및 보강공사시 연기나 유독성 가스를 배출하지 않고, 세척만으로도 외관을 그대로 유지할 수 있어 많은 유지보수 비용을 절감할 수 있는 매우 경제적인 스테인리스강을 채택하고 있다.
◇철도 및 장거리 해저 철도 터널= 철도 터널은 전철이나 디젤 기차 또는 2가지 모두를 동시에 수용할 수 있어야 한다. 전철은 비교적 깨끗하지만 디젤 기차는 터널의 건축자재를 부식시킬 수 있는 이산화황 가스를 배출한다.
배출량은 기차의 왕복 빈도, 기차의 속도, 터널의 길이, 터널의 온도 및 습도를 제어하기 위해 설치한 장비 등의 요인에 따라 달라진다. 자재 선정을 확정 짓기 전에 현지의 공해 및 대기 관련 자료를 참조해야 한다. 장거리 해저 철도 터널의 환경 그리고 건설자재의 적합성 및 성능에 대한 자료는 이러한 터널이 거의 존재하지 않기 때문에 크게 한정돼 있다.
가장 오래된 해저 철도 터널은 일본의 혼슈 섬과 홋카이도 섬을 연결하는 53.9km(해저 길이 23.3km) 의 세이칸 터널이다. 이 터널은 현재 신칸센 고속철을 수용할 수 있도록 보강 공사를 진행하고 있다. 이들 공사에서 습한 분진 입자가 벽면이나 바닥 표면에 달라붙고, 빠른 속도의 바람, 콘크리트 분진, 철 입자에 의해 보호재가 침식되는 것을 예방하기 위해 표면에 부식성 분진이 잘 달라붙지 않고 세척이 간편한 스테인리스강이 적용되고 있다.
■STS, 터널 건설 및 내부 운영장비 제작에 ‘필수’
터널은 각각 길이, 위치, 사용목적이 크게 다르다. 이동시간과 교통 혼잡을 줄이기 위해 건설하기 때문에, 유지보수와 수리를 최소화하기 위한 건설자재의 선정이 매우 까다롭게 이루어진다.
터널은 정부 및 운영업체가 매우 큰 비용을 들이는 시설이며, 이러한 투자의 회수를 위해 수십 년 동안 아무런 문제없이 운영될 수 있어야 한다.
스테인리스강은 ▷온도가 상승해도 유독성 가스를 배출하지 않으며, ▷900°C가 넘는 온도에서도 강도의 대부분이 유지된다. 또한 ▷부식을 막기 위한 별도의 표면처리가 필요 없으며, ▷다양한 등급과 형태로 사용할 수 있고, ▷긴 수명과 유지보수 비용을 절감할 수 있다. 이에 따라 터널 설계사와 운영업체에게 스테인리스강은 터널 및 운영장비의 안전, 낮은 유지보수 비용, 장기적인 운영을 위한 주요 자재로 자리잡고 있다.
